JP3426641B2 - Nonvolatile storage element, nonvolatile storage device using the same, and method of driving this storage device - Google Patents
Nonvolatile storage element, nonvolatile storage device using the same, and method of driving this storage deviceInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、不揮発性記憶素子およ
びこれを利用した不揮発性記憶装置ならびにこの記憶装
置の駆動方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a non-volatile memory element, a non-volatile memory device using the same, and a driving method of the memory device.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、半導体産業の発展に伴い、情報を
半永久的に記憶する不揮発性記憶装置の集積化が要求さ
れている。この要求に応えるためには、メモリセル回路
の集積度を向上させることが考えられる。そこで、従来
より、1トランジスタ/1セル構造を有する不揮発性記
憶装置が提案されている。図10は従来の不揮発性記憶
装置の電気的構成を示す等価回路図である。この不揮発
性記憶装置は、図10に示すように、フローティングゲ
ートFGを有するメモリトランジスタ1A,1B,1
C,1Dのみからなるメモリセル2A,2B,2C,2
Dが、行方向Xおよび列方向Yに沿ってマトリクス状に
配列されている。2. Description of the Related Art In recent years, with the development of the semiconductor industry, there has been a demand for integration of non-volatile memory devices which semi-permanently store information. In order to meet this demand, it is possible to improve the degree of integration of the memory cell circuit. Therefore, conventionally, a nonvolatile memory device having a one-transistor / one-cell structure has been proposed. FIG. 10 is an equivalent circuit diagram showing an electrical configuration of a conventional nonvolatile memory device. The nonvolatile memory device, as shown in FIG. 10, the memory transistor 1A that having a floating gate FG, 1B, 1
Memory cells 2A, 2B, 2C, 2 consisting only of C and 1D
Ds are arranged in a matrix along the row direction X and the column direction Y.
【0003】行方向Xに沿って配列されているメモリセ
ル2A,2Bおよび2C,2D内のメモリトランジスタ
1A,1Bおよび1C,1Dのコントロールゲートに、
ワードラインWL1,WL2がそれぞれ接続されてお
り、列方向Yに沿って配列されているメモリセル2A,
2Cおよび2B,2D内のメモリトランジスタ1A,1
Cおよび1B,1Dのドレインに、ビットラインBL
1,BL2がそれぞれ接続されている。さらに、各メモ
リセル2A,2B,2C,2D内のメモリトランジスタ
1A,1B,1C,1Dのソースには、ソースラインS
が、基板には基板ラインSUBがそれぞれ共通接続され
ている。In the control gates of the memory transistors 1A, 1B and 1C, 1D in the memory cells 2A, 2B and 2C, 2D arranged along the row direction X,
The word lines WL1 and WL2 are connected to each other, and the memory cells 2A arranged in the column direction Y are arranged.
Memory transistors 1A, 1 in 2C and 2B, 2D
The bit line BL is connected to the drains of C, 1B and 1D.
1 and BL2 are respectively connected. Further, the source of the memory transistors 1A, 1B, 1C and 1D in each of the memory cells 2A, 2B, 2C and 2D is the source line S.
However, the substrate lines SUB are commonly connected to the substrates.
【0004】図10を参照しつつ、上記不揮発性メモリ
における情報の書込動作について説明する。例えば、メ
モリセル2Aに対して情報の書き込みを行うとする。ソ
ースラインSおよび基板ラインSUBに対して0Vを印
加しておき、メモリセル2Aが接続されているワードラ
インWL1に対して10Vを印加し、メモリセル2Aを
選択するため、メモリセル2Aが接続されているビット
ラインBL1に対して6Vを印加する。一方、非選択メ
モリセル2C,2Dが接続されているワードラインWL
2に対して0Vを印加し、非選択メモリセル2B,2D
が接続されているビットラインBL2に対して0Vを印
加する。An information writing operation in the nonvolatile memory will be described with reference to FIG. For example, assume that information is written in the memory cell 2A. 0 V is applied to the source line S and the substrate line SUB in advance, 10 V is applied to the word line WL1 to which the memory cell 2A is connected, and the memory cell 2A is connected to select the memory cell 2A. 6V is applied to the existing bit line BL1. On the other hand, the word line WL to which the non-selected memory cells 2C and 2D are connected
0V is applied to 2 and non-selected memory cells 2B and 2D
0V is applied to the bit line BL 2 to which is connected.
【0005】そうすると、メモリセル2A内のメモリト
ランジスタ1AのフローティングゲートFGに、電荷が
注入され、メモリセル2Aは情報の書込状態となる。な
お、以下の説明において、メモリトランジスタ1A,1
B,1C,1Dを総称するときは「メモリトランジスタ
1」という。図11はメモリトランジスタの構成を示す
概略断面図である。同図を参照して、上記メモリトラン
ジスタ1は、P型シリコン基板10と、シリコン基板1
0の表面層に所定の間隔をあけて形成されたN+ 型ソー
ス領域10bおよびN+ 型ドレイン領域10cと、ソー
ス領域10bおよびドレイン領域10cで挟まれるよう
に生じるチャネル領域10a上に形成されたトンネル酸
化膜11と、トンネル酸化膜11上に形成されたフロー
ティングゲート12と、フローティングゲート12上に
形成されたONO(oxide nitride oxide) 膜13と、O
NO膜13上に形成されたコントロールゲート14とを
備えている。Then, charges are injected into the floating gate FG of the memory transistor 1A in the memory cell 2A, and the memory cell 2A is in a state of writing information. In the following description, the memory transistors 1A, 1
B, 1C and 1D are collectively referred to as "memory transistor 1". FIG. 11 is a schematic sectional view showing the structure of the memory transistor. Referring to FIG. 1, the memory transistor 1 includes a P-type silicon substrate 10 and a silicon substrate 1
It is formed on the N + type source region 10b and the N + type drain region 10c which are formed in the surface layer of 0 at a predetermined interval, and the channel region 10a which is formed so as to be sandwiched between the source region 10b and the drain region 10c. The tunnel oxide film 11, the floating gate 12 formed on the tunnel oxide film 11, the ONO (oxide nitride oxide) film 13 formed on the floating gate 12,
And a control gate 14 formed on the NO film 13.
【0006】情報の書き込み時において、メモリトラン
ジスタ1のソース領域10bおよび基板10にそれぞれ
0Vを印加しておき、コントロールゲート14に10V
を、ドレイン領域10cに6Vをそれぞれ印加すると、
ソース−ドレイン間に飽和チャネル電流が流れる。ドレ
イン領域10cの近傍のピンチオフ領域(pinch off reg
ion)では、高電界により加速された電子がイオン化(imp
act ionization) を起こし、高エネルギーを持つ電子、
いわゆるホットエレクトロンが発生する。このホットエ
レクトロンは、トンネル酸化膜11をトンネルしてフロ
ーティングゲート12に注入される。これにより、情報
の書き込みが達成される。At the time of writing information, 0V is applied to the source region 10b of the memory transistor 1 and the substrate 10 respectively, and 10V is applied to the control gate 14.
When 6V is applied to the drain region 10c,
A saturated channel current flows between the source and drain. A pinch off region (pinch off reg) near the drain region 10c
In ion, the electrons accelerated by the high electric field are ionized (imp
electron, which has high energy,
So-called hot electrons are generated. The hot electrons tunnel through the tunnel oxide film 11 and are injected into the floating gate 12. As a result, writing of information is achieved.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】上記不揮発性記憶装置
では、情報の書き込みに際し、メモリトランジスタのフ
ローティングゲートにエレクトロンを注入している。こ
の際、書込電流を大きくして、加速された電子をドレイ
ン近傍のシリコンに衝突させ、ホットエレクトロンを発
生させ、このホットエレクトロンを局所的にフローティ
ングゲートに注入させている。そのため、局所的にトン
ネル酸化膜が劣化し、書換回数の低下につながってい
た。In the above non-volatile memory device, when writing information, electrons are injected into the floating gate of the memory transistor. At this time, the write current is increased to cause the accelerated electrons to collide with silicon in the vicinity of the drain to generate hot electrons, and the hot electrons are locally injected into the floating gate. Therefore, the tunnel oxide film is locally deteriorated, leading to a decrease in the number of rewrites.
【0008】また、局所書込であるため、エレクトロン
がフローティングゲート全体に蓄積されるのに時間を要
し、瞬時に情報を書き込むことができなかった。さら
に、書き込み時において、非選択メモリセル内に書込デ
ィスターブ(disturb) が発生することがあった。例え
ば、図10において、書き込みに際しメモリセル2Aを
選択した場合、ビットラインBL1を共有している非選
択メモリセル2Cにあっては、図12に示すように、そ
のメモリトランジスタ1Cのコントロールゲート14に
0Vが、ドレイン領域10cに6Vがそれぞれ印加され
ることになり、いわゆるドレインディスターブ(drain d
isturb) が発生する。すなわち、メモリトランジスタ1
Cのフローティングゲート12にエレクトロンが蓄積さ
れている情報の書込状態にあると、フローティングゲー
ト12に蓄積されているエレクトロンがドレイン領域1
0cに引き抜かれる。その結果、メモリトランジスタ1
Cに書き込まれた情報が破壊される。Further, since it is a local write, it takes a long time for electrons to be accumulated in the entire floating gate, and information cannot be written instantaneously. Further, at the time of writing, a write disturb may occur in a non-selected memory cell. For example, in FIG. 10, when the memory cell 2A is selected at the time of writing, the unselected memory cell 2C sharing the bit line BL1 is connected to the control gate 14 of the memory transistor 1C as shown in FIG. 0V is applied to the drain region 10c, and 6V is applied to the drain region 10c.
isturb) occurs. That is, the memory transistor 1
When the information in which electrons are accumulated in the floating gate 12 of C is written, the electrons accumulated in the floating gate 12 are drained.
It is pulled out to 0c. As a result, the memory transistor 1
The information written in C is destroyed.
【0009】一方、選択メモリセル2Aとワードライン
WL1を共有している非選択メモリセル2Bにあって
は、図13に示すように、そのメモリトランジスタ1B
のコントロールゲート14に10Vが、基板10に0V
が印加されることになり、いわゆるゲートディスターブ
(gate disturb)が発生する。すなわち、メモリトランジ
スタ1Bのフローティングゲート12にエレクトロンが
蓄積されていない情報の消去状態にあると、基板10−
コントロールゲート14間の電位差により、FN(Fowle
r-Nordheim) トンネル電流が発生し、このFNトンネル
電流によりエレクトロンがフローティングゲート12に
注入される。その結果、メモリトランジスタ1Bに誤っ
て情報が書き込まれる。On the other hand, in the non-selected memory cell 2B sharing the word line WL1 with the selected memory cell 2A, as shown in FIG.
10V for control gate 14 and 0V for substrate 10
Is applied, so-called gate disturb
(gate disturb) occurs. That is, when the floating gate 12 of the memory transistor 1B is in the erased state of information in which electrons are not accumulated, the substrate 10-
Due to the potential difference between the control gates 14, the FN (Fowle
r-Nordheim) tunnel current is generated, and electrons are injected into the floating gate 12 by this FN tunnel current. As a result, information is erroneously written in the memory transistor 1B.
【0010】本発明は、上記に鑑み、
書換可能回数を増加できる。
瞬時に情報の書き換えが行える。
情報の書き込み時における書込ディスターブを防止で
きる。
といったことが可能な不揮発性記憶素子およびこれを利
用した不揮発性記憶装置、この記憶装置の駆動方法、な
らびにこの記憶素子の製造方法の提供を目的とする。In view of the above, the present invention can increase the number of rewritable times. Information can be rewritten instantly. It is possible to prevent write disturb when writing information. It is an object of the present invention to provide a non-volatile memory element capable of performing the above, a non-volatile memory device using the same, a method of driving the memory device, and a method of manufacturing the memory element.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段および作用】上記目的を達
成するための本発明の不揮発性記憶素子は、電荷を注入
したり、取り出したりすることにより情報の記憶を行う
ものであって、予め定める導電型式をした半導体基板
と、上記半導体基板の表面層に所定の間隔をあけて形成
されたソース領域およびドレイン領域と、上記ソース領
域およびドレイン領域で挟まれるように生じるチャネル
領域上に、ソース領域と所定のオフセット間隔をあけて
形成され、チャネル領域で発生した電荷をトンネルさせ
得るトンネル絶縁膜と、上記トンネル絶縁膜上に形成さ
れ、トンネル絶縁膜をトンネルしてきた電荷を蓄積する
フローティングゲートと、上記フローティングゲート上
に形成され、フローティングゲートに電荷を閉じ込める
キャパシタ絶縁膜と、上記キャパシタ絶縁膜上に形成さ
れ、所定の制御電圧が印加されるコントロールゲート
と、上記ソース領域に接触しているとともに、情報の読
み出し時に読出電圧が印加されたときに、上記ソース領
域と上記トンネル絶縁膜との間のチャネル領域であるオ
フセット領域を反転させ得るように、フローティングゲ
ート、キャパシタ絶縁膜およびコントロールゲートに対
して絶縁状態で、上記オフセット領域上に絶縁膜を介し
て延設されているソース電極とを含むものである。The non-volatile memory element of the present invention for achieving the above object stores information by injecting and extracting electric charges, and is predetermined. that a semiconductor substrate in which the conductive type guide, a source region and a drain region formed at predetermined intervals in the surface layer of the semiconductor substrate, to the source and drain regions on a channel region sandwiched by as occurs in, A tunnel insulating film formed at a predetermined offset distance from the source region and capable of tunneling charges generated in the channel region, and a floating gate formed on the tunnel insulating film and storing charges tunneled through the tunnel insulating film. And a capacitor insulating film formed on the floating gate to confine charges in the floating gate. Is formed on the capacitor insulating film, a control gate predetermined control voltage is applied, together with in contact with the source region, reading of information
When a read voltage is applied at the time of protrusion, the source area above
A channel region between the band and the tunnel insulating film O
As you can reverse the offset region, a floating gate, an insulating state relative capacitor insulating film and a control gate, an insulating film on the offset region
And a source electrode that is extended.
【0012】そして、上記不揮発性記憶素子を利用した
不揮発性記憶装置は、上記不揮発性記憶素子が、半導体
基板上に、行方向および列方向に沿ってマトリクス状に
配列形成され、行方向に沿って配列されている不揮発性
記憶素子のコントロールゲートには、ワードラインが接
続され、列方向に沿って配列されている不揮発性記憶素
子のドレイン領域には、ビットラインが接続され、各不
揮発性記憶素子のソース電極には、ソースラインが共通
接続され、半導体基板には、共通の基板ラインが設けら
れているものである。In the nonvolatile memory device using the nonvolatile memory element, the nonvolatile memory elements are arranged and formed in a matrix on the semiconductor substrate along the row direction and the column direction, and along the row direction. The word lines are connected to the control gates of the non-volatile memory elements arranged in a row, and the bit lines are connected to the drain regions of the non-volatile memory elements arranged along the column direction. A source line of a device is commonly connected to a source line, and a semiconductor substrate is provided with a common substrate line.
【0013】上記不揮発性記憶装置の駆動方法は、情報
の書き込み時に、ソースラインおよび基板ラインを接地
電位としておき、書き込みを行う不揮発性記憶素子が接
続されているワードラインに対して、接地電位の半導体
基板とフローティングゲートとの間でFNトンネル電流
を生じさせ得る高電圧を印加するとともに、それ以外の
ワードラインを接地電位とし、書き込みを行う不揮発性
記憶素子を選択するため、当該不揮発性記憶素子が接続
されているビットラインに対して書込電圧を印加すると
ともにそれ以外のビットラインに対しては書込禁止電圧
を印加することにより、選択された不揮発性記憶素子の
基板−フローティングゲート間でFNトンネル電流を発
生させ、このFNトンネル電流によりフローティングゲ
ートに電荷を注入し、情報の消去時に、全てのビットラ
インおよびソースラインを開放状態としておき、情報の
消去を行う不揮発性記憶素子が接続されているワードラ
インを接地電位とし、基板ラインに対して半導体基板と
フローティングゲートとの間でFNトンネル電流を生じ
させ得る高電圧を印加して、選択された不揮発性記憶素
子の基板−フローティングゲート間で書き込み時とは逆
向きのFNトンネル電流を発生させ、このFNトンネル
電流によりフローティングゲートに蓄積されている電荷
を基板側に逃がし、情報の読み出し時に、基板ラインを
接地電位とし、ソースラインに対してオフセット領域の
基板表面が反転し得る読出電圧を印加しておき、読み出
しを行う不揮発性記憶素子が接続されているワードライ
ンに対してセンス電圧を印加し、読み出しを行う不揮発
性記憶素子を選択するため、当該不揮発性記憶素子が接
続されているビットラインを接地電位とするものであ
る。In the above method for driving the nonvolatile memory device, the source line and the substrate line are set to the ground potential at the time of writing information, and the word line connected to the nonvolatile memory element for writing is connected to the ground potential. semiconductor
FN tunnel current between substrate and floating gate
It applies a high voltage may cause, otherwise
The word line and the ground potential, for selecting the nonvolatile memory element for writing, for the other bit lines together with the non-volatile storage elements to apply a write voltage to the bit line connected Write inhibit voltage
Is applied to generate an FN tunnel current between the substrate and the floating gate of the selected nonvolatile memory element, the FN tunnel current injects charges into the floating gate, and when erasing information, all bit lines and leave the source line and an open state, the word line non-volatile memory device for erasing the information is connected to ground potential, and the semiconductor substrate relative to the substrate line
FN tunnel current is generated between floating gate
Applying a high voltage capable of, the substrate of the selected nonvolatile memory element - caused the FN tunnel current in the direction opposite to that in the writing between the floating gates, the charge stored in the floating gate by the FN tunnel current To the substrate side, at the time of reading information, the substrate line is set to the ground potential, and a read voltage capable of inverting the substrate surface in the offset region is applied to the source line, and the nonvolatile memory element for reading is connected. The bit line connected to the nonvolatile memory element is set to the ground potential in order to apply the sense voltage to the selected word line and select the nonvolatile memory element for reading.
【0014】上記情報の書き込み時において、全ての不
揮発性記憶素子のフローティングゲートとソース領域と
の間のチャネル領域は常にオフセット領域となる。この
とき、選択された不揮発性記憶素子の基板−フローティ
ングゲート間にFNトンネル電流が生じ、このFNトン
ネル電流により電荷がフローティングゲートに注入され
る。また、選択された不揮発性記憶素子とビットライン
を共有している非選択の不揮発性記憶素子は、動作する
ことはない。よって、当該非選択の不揮発性記憶素子で
は、ドレインディスターブが発生しない。さらに、選択
された不揮発性記憶素子とワードラインを共有している
不揮発性記憶素子の基板−コントロールゲート間には、
電位差が生じるものの、ドレイン領域のPN接合部の空
乏層がオフセット領域の境界まで拡がり、この空乏層が
FNトンネル電流を遮断する。このため、FNトンネル
電流により電荷がフローティングゲートに注入されな
い。よって、当該非選択の不揮発性記憶素子では、ゲー
トディスターブは発生しない。When writing the above information, the channel regions between the floating gates and the source regions of all the non-volatile memory elements are always offset regions. Substrate in this case, the selected nonvolatile memory element - Floating
FN tunneling current is generated between the ring gate, charge is injected into the floating gate by the FN tunnel current. Further, the non-selected non-volatile storage element sharing the bit line with the selected non-volatile storage element does not operate. Therefore, drain disturb does not occur in the non-selected nonvolatile memory element. Further, between the substrate and the control gate of the nonvolatile memory element that shares the word line with the selected nonvolatile memory element,
Although a potential difference occurs, the depletion layer at the PN junction of the drain region spreads to the boundary of the offset region, and this depletion layer blocks the FN tunnel current. Therefore, charges are not injected into the floating gate due to the FN tunnel current. Therefore, the gate disturb does not occur in the non-selected nonvolatile memory element.
【0015】情報の消去時には、選択された不揮発性記
憶素子の基板−コントロールゲート間に、書き込み時と
は逆のバイアスがかかり、FNトンネル電流によりフロ
ーティングゲートに蓄積されている電荷が基板側に逃げ
る。このように、FNトンネル電流により情報の書き換
えを行っているから、トンネル絶縁膜の劣化を防止し
て、書換可能回数を増加させることができるとともに、
瞬時にデータの書き換えが可能となる。At the time of erasing information, a bias reverse to that at the time of writing is applied between the substrate and the control gate of the selected nonvolatile memory element, and the electric charge accumulated in the floating gate escapes to the substrate side by the FN tunnel current. . As described above, since the information is rewritten by the FN tunnel current, the deterioration of the tunnel insulating film can be prevented and the number of rewritable times can be increased.
Data can be rewritten instantly.
【0016】読み出し時には、全ての不揮発性記憶素子
のオフセット領域の基板表面が反転し、反転層が生じ
る。このとき、選択された不揮発性記憶素子に電荷が蓄
積されていれば、コントロールゲートの正電荷の影響が
フローティングゲートに蓄積されている電荷によりブロ
ックされ、フローティングゲート直下の基板の表面まで
及ばない。その結果、当該不揮発性記憶素子のソース領
域−ドレイン領域間が導通せず、チャネルが形成されな
い。つまり、不揮発性記憶素子内に電流が流れない。一
方、選択された不揮発性記憶素子にフローティングゲー
トに電荷が蓄積されていなければ、コントロールゲート
の正電荷の影響がフローティングゲート直下の基板の表
面まで及び、この基板の表面が反転する。その結果、当
該不揮発性記憶素子のソース領域−ドレイン領域間が導
通し、チャネルが形成される。つまり、不揮発性記憶素
子内に電流が流れる。この状態をセンシングすることに
より、情報の読出が達成される。At the time of reading, the substrate surface in the offset regions of all the non-volatile memory elements is inverted and an inversion layer is formed. At this time, if charges are accumulated in the selected nonvolatile memory element, the influence of the positive charges of the control gate is blocked by the charges accumulated in the floating gate, and does not reach the surface of the substrate directly below the floating gate. As a result, the source region and the drain region of the nonvolatile memory element are not electrically connected to each other and a channel is not formed. That is, no current flows in the nonvolatile memory element. On the other hand, if no charge is stored in the floating gate of the selected nonvolatile memory element, the influence of the positive charge of the control gate extends to the surface of the substrate immediately below the floating gate and the surface of this substrate is inverted. As a result, conduction is established between the source region and the drain region of the nonvolatile memory element, and a channel is formed. That is, a current flows in the nonvolatile memory element. Reading of information is achieved by sensing this state.
【0017】このように、オフセット領域の反転を利用
して情報の読み出しが行われるから、読出速度は速くな
る。As described above, since the information is read by utilizing the inversion of the offset area, the reading speed becomes high.
【0018】[0018]
【実施例】以下、本発明の一実施例を図1ないし図9に
基づいて詳述する。図1は本発明の一実施例に係る不揮
発性記憶素子の構造を示す概略断面図であって、パッシ
ベーション膜を剥がした状態を示している。図1を参照
しつつ、本実施例に係る不揮発性記憶素子の構成につい
て説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a nonvolatile memory element according to an embodiment of the present invention, showing a state in which a passivation film is peeled off. The configuration of the nonvolatile memory element according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
【0019】本実施例の不揮発性記憶素子は、図1に示
すように、P型シリコン基板30と、シリコン基板30
の表面層に所定の間隔をあけて形成されたN+ 型ソース
領域30bおよびN+ 型ドレイン領域30cと、ソース
領域30bおよびドレイン領域30cで挟まれるように
生じるチャネル領域30a上に、ソース領域30bと所
定のオフセット間隔Dをあけて形成されたトンネル酸化
膜31と、トンネル酸化膜31上に形成されたフローテ
ィングゲート32と、フローティングゲート32上に形
成されたキャパシタ絶縁膜33と、キャパシタ絶縁膜3
3上に形成されたコントロールゲート34(WL)と、
ソース領域30bに接触し、かつチャネル領域30aの
残りの領域上まで延ばされたソース電極40とを備えて
おり、フローティングゲート32に電荷を注入したり、
取り出したりすることにより情報の記憶を行う。As shown in FIG. 1, the nonvolatile memory element of this embodiment has a P-type silicon substrate 30 and a silicon substrate 30.
The source region 30b is formed on the N + -type source region 30b and the N + -type drain region 30c which are formed in the surface layer of the device at a predetermined interval, and the channel region 30a which is formed so as to be sandwiched between the source region 30b and the drain region 30c. And a tunnel oxide film 31 formed with a predetermined offset distance D, a floating gate 32 formed on the tunnel oxide film 31, a capacitor insulating film 33 formed on the floating gate 32, and a capacitor insulating film 3
Control gate 34 (WL) formed on
A source electrode 40 that is in contact with the source region 30b and extends over the remaining region of the channel region 30a, injects charges into the floating gate 32,
Information is stored by taking it out.
【0020】トンネル酸化膜31は、チャネル領域30
aで発生した電荷をトンネルさせ得るものである。それ
ゆえ、トンネル酸化膜31は、SiO2 からなり、その
膜厚は、電荷をトンネルさせ得るよう極めて薄く設けら
ている。フローティングゲート32は、例えばリンを高
濃度にドープして低抵抗化したポリシリコンからなる。The tunnel oxide film 31 is formed in the channel region 30.
The charge generated in a can be tunneled. Therefore, the tunnel oxide film 31 is made of SiO 2 , and its film thickness is extremely thin so that the charges can be tunneled. The floating gate 32 is made of, for example, polysilicon that is doped with phosphorus at a high concentration to reduce the resistance.
【0021】キャパシタ絶縁膜33は、フローティング
ゲート32に電荷を長時間閉じ込めておくものである。
それゆえ、キャパシタ絶縁膜33は、Si3 N4 膜を上
下からSiO2 膜でサンドイッチした、いわゆるONO
(oxide nitride oxide) 構造を有している。以下、キャ
パシタ絶縁膜33を「ONO膜33」と称する。コント
ロールゲート34は、フローティングゲート32と同
様、例えばリンを高濃度にドープして低抵抗化したポリ
シリコンからなる。The capacitor insulating film 33 keeps charges in the floating gate 32 for a long time.
Therefore, the capacitor insulating film 33 is a so-called ONO in which a Si 3 N 4 film is sandwiched between upper and lower SiO 2 films.
It has a (oxide nitride oxide) structure. Hereinafter, the capacitor insulating film 33 will be referred to as “ONO film 33”. Like the floating gate 32, the control gate 34 is made of, for example, polysilicon in which phosphorus is doped at a high concentration to reduce the resistance.
【0022】ソース電極40は、例えばタングステンポ
リサイド等の導電性物質からなる。ソース電極40とチ
ャネル領域30aとの間、ならびにソース電極40と、
フローティングゲート32、ONO膜33およびコント
ロールゲート34のソース領域30b側との間には、酸
化絶縁膜35が介在されている。この酸化絶縁膜35
は、SiO2 からなる。The source electrode 40 is made of a conductive material such as tungsten polycide. Between the source electrode 40 and the channel region 30a, and the source electrode 40,
An oxide insulating film 35 is interposed between the floating gate 32, the ONO film 33, and the control gate 34 and the source region 30b side. This oxide insulating film 35
Is made of SiO 2 .
【0023】また、全面はBPSG(boron phosfied si
licon glass) からなる層間絶縁膜36で覆われてい
る。それゆえ、フローティングゲート32は、外部と接
続がとられていない。層間絶縁膜36のドレイン領域3
0cと対応する部分には、コンタクトホール37が開口
されている。このコンタクトホール37を通してAl−
Si等からなるビットライン38(BL)が接触してい
る。The entire surface is BPSG (boron phosfied si
It is covered with an interlayer insulating film 36 made of licon glass). Therefore, the floating gate 32 is not connected to the outside. Drain region 3 of interlayer insulating film 36
A contact hole 37 is opened in a portion corresponding to 0c. Al− through this contact hole 37
A bit line 38 (BL) made of Si or the like is in contact.
【0024】図2および図3は、不揮発性記憶素子の製
造方法を工程順に示す概略断面図である。図2および図
3を参照しつつ、上記不揮発性記憶素子の製造方法につ
いて説明する。まず、ゲートの形成を行う。すなわち、
図2(a)に示すように、熱酸化により、P型シリコン
基板30上に、膜厚100Å程度をもってSiO2 から
なるトンネル酸化膜31を形成する。その後、図2
(b)に示すように、例えばLPCVD(low pressure
chemical vapor deposition)法により、トンネル酸化膜
31上にポリシリコン膜40を堆積した後、導電性を付
与するため、ポリシリコン膜40に対してリンをドープ
する。次に、図2(c)に示すように、ポリシリコン膜
40上に、例えばSiO2 を60Å程度、Si3 N4 を
110Å程度、SiO 2 を60Å程度順次積層してON
O膜33を形成する。その後、図2(d)に示すよう
に、例えばLPCVD法により、ONO膜33上にポリ
シリコン膜41を堆積した後、導電性を付与するため、
ポリシリコン膜41に対してリンをドープする。そし
て、図2(e)に示すように、フォトリソグラフィー技
術により、必要な部分を残して、ポリシリコン膜41、
ONO膜33、ポリシリコン膜40およびトンネル酸化
膜31を除去して、フローティングゲート32およびコ
ントロールゲート34(WL)を形成する。2 and 3 show the manufacturing of a non-volatile memory element.
It is a schematic sectional drawing which shows a manufacturing method in order of a process. Figure 2 and Figure
3, the method for manufacturing the nonvolatile memory element will be described.
And explain. First, the gate is formed. That is,
As shown in FIG. 2 (a), P-type silicon is formed by thermal oxidation.
SiO 2 on the substrate 30 with a film thickness of 100 Å2From
A tunnel oxide film 31 is formed. After that, Figure 2
As shown in (b), for example, LPCVD (low pressure
Chemical vapor deposition) method, tunnel oxide film
After depositing the polysilicon film 40 on the surface 31,
In order to supply the polysilicon film 40 with phosphorus,
To do. Next, as shown in FIG. 2C, a polysilicon film
40, for example SiO2About 60Å, Si3NFourTo
110Å, SiO 2ON by sequentially stacking about 60Å
The O film 33 is formed. After that, as shown in FIG.
In addition, the poly on the ONO film 33 is formed by LPCVD, for example.
After depositing the silicon film 41, in order to impart conductivity,
The polysilicon film 41 is doped with phosphorus. That
Then, as shown in FIG.
The polysilicon film 41,
ONO film 33, polysilicon film 40, and tunnel oxidation
The film 31 is removed to remove the floating gate 32 and
The control gate 34 (WL) is formed.
【0025】上記ゲート形成工程が終了すると、ソース
領域およびドレイン領域を形成する。すなわち、図3
(a)に示すように、熱酸化により、薄いSiO2 膜を
成長させて、トンネル酸化膜31、フローティングゲー
ト32、ONO膜33およびコントロールゲート34の
周囲を酸化絶縁膜35で囲む。酸化絶縁膜35の膜厚
は、例えば300Å程度が好ましい。次に、図3(b)
に示すように、フローティングゲート32、ONO膜3
3およびコントロールゲート34の一側方(図において
左側)に、上記オフセット間隔を形成するためのレジス
ト42を塗布する。つづいて、レジスト42ならびにフ
ローティングゲート32、ONO膜33、コントロール
ゲート34およびサイドウォールゲート39をマスクと
して、例えばインプラ(implant) により、リンをイオン
注入して、P型シリコン基板30の表面層にN+ 型ソー
ス領域30bおよびN+ 型ドレイン領域30cを自己整
合的に形成する。この工程において、フローティングゲ
ート32とソース領域30bとのオフセット間隔は、レ
ジスト42の幅で制御され、その間隔は0.2〜0.3
μm程度が好ましい。When the above gate forming step is completed, a source region and a drain region are formed. That is, FIG.
As shown in (a), a thin SiO 2 film is grown by thermal oxidation, and the tunnel oxide film 31, the floating gate 32, the ONO film 33, and the control gate 34 are surrounded by an oxide insulating film 35. The thickness of the oxide insulating film 35 is preferably about 300 Å, for example. Next, FIG. 3 (b)
As shown in FIG.
3 and one side of the control gate 34 (left side in the drawing) is coated with a resist 42 for forming the offset interval. Subsequently, using the resist 42 and the floating gate 32, the ONO film 33, the control gate 34, and the side wall gate 39 as a mask, phosphorus is ion-implanted by, for example, implantation to implant N on the surface layer of the P-type silicon substrate 30. The + type source region 30b and the N + type drain region 30c are formed in a self-aligned manner. In this step, the offset distance between the floating gate 32 and the source region 30b is controlled by the width of the resist 42, and the distance is 0.2 to 0.3.
About μm is preferable.
【0026】上記ソース領域およびドレイン領域の形成
工程が終了すると、ソース電極を形成する。すなわち、
図3(c)に示すように、酸化絶縁膜35のソース領域
30bに対応する部分に開口を設けた後、例えばPVD
(physical vapor deposition) 法により、タングステン
ポリサイドを堆積して、ソース電極40をソース領域3
0bと接触させるとともに、上記オフセット領域まで延
ばして形成する。When the process of forming the source region and the drain region is completed, the source electrode is formed. That is,
As shown in FIG. 3C, after forming an opening in a portion of the oxide insulating film 35 corresponding to the source region 30b, for example, PVD is used.
A tungsten polycide is deposited by the (physical vapor deposition) method to form the source electrode 40 in the source region 3
It is formed by contacting with 0b and extending to the offset region.
【0027】上記ソース電極形成工程が終了すると、層
間絶縁膜の形成およびメタライゼーションを行う。すな
わち、図3(d)に示すように、例えばCVD法によ
り、全面にBPSGを堆積して層間絶縁膜36を形成す
る。その後、層間絶縁膜36のドレイン領域30cと対
応する部分にコンタクトホール37を形成する。そし
て、図3(g)に示すように、例えばPVD法により、
層間絶縁膜36上にAl−Si等の導電性物質を堆積
し、コンタクトホール37を介してビットライン38
(BL)をドレイン領域30cに接触させる。その後
は、図示していないが、全面をパッシベーション膜で覆
う。When the source electrode forming step is completed, an interlayer insulating film is formed and metallization is performed. That is, as shown in FIG. 3D, BPSG is deposited on the entire surface by, eg, CVD method to form the interlayer insulating film 36. After that, a contact hole 37 is formed in a portion of the interlayer insulating film 36 corresponding to the drain region 30c. Then, as shown in FIG. 3G, for example, by the PVD method,
A conductive material such as Al-Si is deposited on the interlayer insulating film 36, and the bit line 38 is formed through the contact hole 37.
(BL) is brought into contact with the drain region 30c. After that, although not shown, the entire surface is covered with a passivation film.
【0028】なお、以下の説明において、上記不揮発性
記憶素子を「メモリトランジスタ」と称する。図4は不
揮発性記憶装置の電気的構成を示す等価回路図である。
図4を参照しつつ、不揮発性記憶装置の電気的構成につ
いて説明する。この不揮発性記憶装置は、図4に示すよ
うに、図1に示すオフセット配置したフローティングゲ
ートFG、およびオフセット領域上まで延びたソース電
極SEを有するメモリトランジスタ20A,20B,2
0C,20Dのみからなるメモリセル21A,21B,
21C,21Dが、行方向Xおよび列方向Yに沿ってマ
トリクス状に配列されている。In the following description, the non-volatile memory element will be referred to as "memory transistor". FIG. 4 is an equivalent circuit diagram showing the electrical configuration of the nonvolatile memory device.
The electrical configuration of the nonvolatile memory device will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 4, this nonvolatile memory device includes memory transistors 20A, 20B, 2 having offset gate floating gates FG shown in FIG. 1 and source electrodes SE extending to the offset regions.
Memory cells 21A, 21B consisting of 0C and 20D,
21C and 21D are arranged in a matrix along the row direction X and the column direction Y.
【0029】行方向Xに沿って配列されているメモリセ
ル21A,21B内のメモリトランジスタ20A,20
Bのコントロールゲートに、ワードラインWL1が接続
されている。また、行方向Xに沿って配列されているメ
モリセル21C,21D内のメモリトランジスタ20
C,20Dのコントロールゲートに、ワードラインWL
2が接続されている。Memory transistors 20A, 20 in the memory cells 21A, 21B arranged along the row direction X
The word line WL1 is connected to the B control gate. The memory cell 21C along a row direction X are array, the memory transistors 20 in 21D
The word line WL is connected to the control gates of C and 20D.
2 are connected.
【0030】列方向Yに沿って配列されているメモリセ
ル21A,21C内のメモリトランジスタ20A,20
Cのドレインに、ビットラインBL1が接続されてい
る。列方向Yに沿って配列されているメモリセル21
B,21D内のメモリトランジスタ20B,20Dのド
レインに、ビットラインBL2が接続されている。ま
た、各メモリセル21A,21B,21C,21D内の
メモリトランジスタ20A,20B,20C,20Dの
ソース電極SEには、ソースラインSが、基板には基板
ラインSUBがそれぞれ共通接続されている。The memory transistors 20A, 20 in the memory cells 21A, 21C arranged along the column direction Y
The bit line BL1 is connected to the drain of C. Memory cells 21 arranged along the column direction Y
The bit line BL2 is connected to the drains of the memory transistors 20B and 20D in B and 21D. A source line S is commonly connected to the source electrode SE of the memory transistors 20A, 20B, 20C, and 20D in each memory cell 21A, 21B, 21C, and 21D, and a substrate line SUB is commonly connected to the substrate.
【0031】ワードラインWL1,WL2には、ロウデ
コーダLDが接続されている。ロウデコーダLDは、情
報の書き込み、消去および読み出しに際し、ワードライ
ンWL1,WL2に所定の電圧を印加するものである。 A row decoder LD is connected to the word lines WL1 and WL2. The row decoder LD applies a predetermined voltage to the word lines WL1 and WL2 when writing, erasing and reading information .
【0032】ビットラインBL1,BL2には、コラム
デコーダCDが接続されている。コラムデコーダCD
は、情報の書き込み、消去および読み出しに際し、ビッ
トラインBL1,BL2に所定の電圧を印加するもので
ある。このコラムデコーダCDには、情報の読み出し時
にビットラインの電位の変化を検出するセンスアンプS
Aが接続されている。なお、図中R1,R2は抵抗であ
る。ソースラインSには、ソースコントロール回路SC
が接続されている。ソースコントロール回路SCは、情
報の書き込み、消去および読み出しに際し、ソースライ
ンSに所定の電圧を印加するものである。A column decoder CD is connected to the bit lines BL1 and BL2. Column decoder CD
Applies a predetermined voltage to the bit lines BL1 and BL2 when writing, erasing and reading information. This column decoder CD is used to read information
Sense amplifier S for detecting a change in the potential of the bit line
A is connected. In the figure, R1 and R2 are resistors.
It The source line S has a source control circuit SC
Are connected. The source control circuit SC applies a predetermined voltage to the source line S when writing, erasing and reading information.
【0033】基板ラインSUBには、基板コントロール
回路SUBCが接続されている。基板コントロール回路
SUBCは、情報の書き込み、消去および読み出しに際
し、基板ラインSUBに所定の電圧を印加するものであ
る。なお、ロウデコーダLD、コラムデコーダCD、ソ
ースコントロール回路SCおよび基板コントロール回路
SUBCの各所定電圧の印加動作については後述する。A substrate control circuit SUBC is connected to the substrate line SUB. The substrate control circuit SUBC applies a predetermined voltage to the substrate line SUB when writing, erasing and reading information. The application operation of each predetermined voltage of the row decoder LD, the column decoder CD, the source control circuit SC, and the substrate control circuit SUBC will be described later.
【0034】表1および図5ないし図7を参照しつつ、
上記不揮発性記憶装置における情報の書き込み、読み出
しおよび消去の各動作について説明する。Referring to Table 1 and FIGS. 5 to 7,
Each operation of writing, reading, and erasing information in the nonvolatile memory device will be described.
【0035】[0035]
【表1】 [Table 1]
【0036】<書き込み>図5は書き込み時の不揮発性
記憶装置の等価回路図である。例えば、メモリセル21
Aに対して情報の書き込みを行うとする。まず、ソース
コントロール回路SC(図4参照)によりソースライン
Sに対して0Vを印加とするとともに、基板コントロー
ル回路SUBC(図4参照)により基板ラインSUBに
対して0Vを印加しておく。ロウデコーダLD(図4参
照)により、選択メモリセル21Aが接続されているワ
ードラインWL1に対して10Vを印加し、メモリセル
21Aを選択するため、コラムデコーダCD(図4参
照)により、選択メモリセル21Aが接続されているビ
ットラインBL1に対して0Vを印加する。また、ロウ
デコーダにより、非選択メモリセル21C,21Dが接
続されているワードラインWL2に対して0Vを印加
し、コラムデコーダにより、非選択メモリセル21B,
21Dが接続されているビットラインBL2に対して7
Vを印加する。<Writing> FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of the nonvolatile memory device at the time of writing. For example, the memory cell 21
It is assumed that information is written to A. First, the source control circuit SC (see FIG. 4) applies 0 V to the source line S, and the substrate control circuit SUBC (see FIG. 4) applies 0 V to the substrate line SUB. The row decoder LD (see FIG. 4) applies 10 V to the word line WL1 to which the selected memory cell 21A is connected to select the memory cell 21A. Therefore, the column decoder CD (see FIG. 4) selects the selected memory. 0V is applied to the bit line BL1 to which the cell 21A is connected. The row decoder applies 0V to the word line WL2 to which the non-selected memory cells 21C and 21D are connected, and the column decoder applies non-selected memory cells 21B and 21B.
7 for the bit line BL2 to which 21D is connected
Apply V.
【0037】そうすると、選択メモリセル21Aにあっ
ては、そのメモリトランジスタ20Aの基板−フローテ
ィングゲート間にFNトンネル電流が生じ、このFNト
ンネル電流によりエレクトロンがフローティングゲート
FGに注入される。その結果、選択メモリセル21Aは
情報の書込状態となる。一方、非選択メモリセル21
B,21C,21Dにあっては、そのメモリトランジス
タ20B,20C,20Dの基板−フローティングゲー
ト間にFNトンネル電流が発生せず、エレクトロンがフ
ローティングゲートFGに注入されない。その結果、非
選択メモリセル21B,21C,21Dには情報の書き
込みは行われない。Then, in the selected memory cell 21A, the substrate- float of the memory transistor 20A is selected.
Ingu FN tunneling current is generated between the gate, electrons by the FN tunnel current is injected into the floating gate FG. As a result, the selected memory cell 21A is in the information writing state. On the other hand, the non-selected memory cell 21
In B, 21C and 21D, no FN tunnel current is generated between the substrate and floating gate of the memory transistors 20B, 20C and 20D, and electrons are not injected into the floating gate FG. As a result, no information is written in the non-selected memory cells 21B, 21C, 21D.
【0038】フローティングゲートにエレクトロンが蓄
積されている状態と、蓄積されていない状態とでは、ソ
ース−ドレイン間を導通させるために必要なゲート電圧
が異なる。すなわち、ソース−ドレイン間を導通させる
ためのしきい値電圧VTHは、フローティングゲートにエ
レクトロンを注入した状態では高いしきい値V1(例え
ば7V)をとり、エレクトロンが未注入の状態で低いし
きい値V2(例えば1V)をとる。このように、しきい
値電圧VTHを2種類に設定することで「1」または
「0」の二値データをメモリセルに記憶させることがで
きる。
<消去>図6は消去時の不揮発性メモリの等価回路図で
ある。情報の消去は一括して行われる。まず、コラムデ
コーダおよびソースコントロール回路により、全てのビ
ットラインBL1,BL2およびソースラインSを開放
(open)状態としておき、基板コントロール回路により基
板ラインSUBに対して10Vを印加し、ロウデコーダ
により、全てのワードラインWL1,WL2に対して0
Vを印加する。The gate voltage required for conducting between the source and drain differs between the state where electrons are accumulated in the floating gate and the state where electrons are not accumulated. That is, the threshold voltage V TH for conducting between the source and the drain has a high threshold V1 (for example, 7 V) when electrons are injected into the floating gate, and a low threshold when electrons are not injected. It takes a value V2 (for example, 1V). In this way, by setting the threshold voltage V TH to two types, binary data of “1” or “0” can be stored in the memory cell. <Erase> FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of the nonvolatile memory at the time of erasing. Information is erased collectively. First, the column decoder and the source control circuit open all bit lines BL1 and BL2 and the source line S.
In the (open) state, 10 V is applied to the substrate line SUB by the substrate control circuit, and 0 is applied to all the word lines WL1 and WL2 by the row decoder.
Apply V.
【0039】そうすると、全メモリセル21A,21
B,21C,21D内のメモリトランシスタ20A,2
0B,20C,20Dの基板−コントロールゲート間
に、情報の書き込み時とは逆のバイアスがかかり、フロ
ーティングゲートFGに蓄積されているエレクトロンが
FNトンネル電流により基板側に逃げる。その結果、全
てのメモリセル21A,21B,21C,21Dに記憶
されている情報が一括消去される。Then, all the memory cells 21A, 21A
Memory transistors 20A, 2 in B, 21C, 21D
A bias reverse to that at the time of writing information is applied between the 0B, 20C, and 20D substrate- control gates, and the electrons accumulated in the floating gate FG escape to the substrate side by the FN tunnel current. As a result, the information stored in all the memory cells 21A, 21B, 21C, 21D is erased at once.
【0040】また、情報の消去は、ワードライン毎に分
割して行ってもよい。つまり、全てのビットラインBL
1,BL2およびソースラインSを開放状態とするとと
もに、基板ラインSUBに対して10Vを印加してお
き、情報の消去を行うメモリセル21A,21Bが接続
されているワードラインWL1に対して0Vを印加し、
非選択メモリセル21C,21Dが接続されているワー
ドラインWL2に対して10Vを印加すれば、ワードラ
インWL1に沿って配列されているメモリセル21A,
21Bに記憶されている情報が消去される。
<読み出し>図7は読み出し時の不揮発性メモリの等価
回路図である。例えば、メモリセル21Aに記憶されて
いる情報を読み出すとする。まず、ソースコントロール
回路によりソースラインSに対して2Vを印加し、基板
コントロール回路により基板ラインSUBに対して0V
を印加しておく。ロウデコーダにより、読み出しを行う
メモリセル21Aが接続されているワードラインWL1
に対してセンス電圧5Vを印加し、メモリセル21Aを
選択するため、コラムデコーダにより、選択メモリセル
21Aが接続されているビットラインBL1に対して0
Vを印加する。一方、ロウデコーダにより、非選択メモ
リセル21C,21Dが接続されているワードラインW
L2に対して0Vを印加し、コラムデコーダにより、非
選択メモリセル21B,21Dが接続されているビット
ラインBL2を開放状態とする。Information may be erased by dividing it for each word line. That is, all bit lines BL
1, BL2 and the source line S are opened, and 10V is applied to the substrate line SUB so that 0V is applied to the word line WL1 to which the memory cells 21A and 21B for erasing information are connected. Apply,
If 10V is applied to the word line WL2 to which the unselected memory cells 21C and 21D are connected, the memory cells 21A and 21A arranged along the word line WL1
The information stored in 21B is erased. <Reading> FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of the nonvolatile memory at the time of reading. For example, assume that the information stored in the memory cell 21A is read. First, the source control circuit applies 2V to the source line S, and the substrate control circuit applies 0V to the substrate line SUB.
Is applied. The word line WL1 to which the memory cell 21A to be read is connected by the row decoder
Is applied to the bit line BL1 to which the selected memory cell 21A is connected by the column decoder in order to select the memory cell 21A by applying the sense voltage 5V.
Apply V. On the other hand, by the row decoder, the word line W to which the non-selected memory cells 21C and 21D are connected
0V is applied to L2, and the column decoder opens the bit line BL2 to which the non-selected memory cells 21B and 21D are connected.
【0041】そうすると、選択メモリセル21Aに情報
が書き込まれておれば、そのメモリトランジスタ20A
のソース−ドレイン間が導通せず、チャネルが形成され
ない。つまり、選択メモリセル21A内にセル電流が流
れない。一方、選択メモリセル21Aが情報の消去状態
であれば、そのメモリトランジスタ20Aのソース−ド
レイン間が導通し、チャネルが形成される。つまり、選
択メモリセル21A内にセル電流が流れる。この状態を
デコーダCD,LDおよびセンスアンプSA(図4参
照)によってセンシングすれば、選択メモリセル21
A,21Bに記憶されている情報を読み出すことができ
る。Then, if information has been written in the selected memory cell 21A, that memory transistor 20A
There is no conduction between the source and drain, and no channel is formed. That is, no cell current flows in the selected memory cell 21A. On the other hand, when the selected memory cell 21A is in the erased state of information, the source-drain of the memory transistor 20A becomes conductive and a channel is formed. That is, a cell current flows in the selected memory cell 21A. If this state is sensed by the decoders CD and LD and the sense amplifier SA (see FIG. 4), the selected memory cell 21
The information stored in A and 21B can be read.
【0042】また、情報の読み出しは、一括して行って
もよい。つまり、ソースラインSに対して2Vを印加
し、全てのビットラインBL1,BL2および基板ライ
ンSUBに対して0Vを印加しておくとともに、全ての
ワードラインWL1,WL2に対してセンス電圧5Vを
印加すれば、全てのメモリセル21A,21B,21
C,21Dに記憶されている情報が一括読出される。Further, the reading of information may be performed collectively. That is, 2V is applied to the source line S, 0V is applied to all the bit lines BL1 and BL2 and the substrate line SUB, and a sense voltage of 5V is applied to all the word lines WL1 and WL2. Then, all the memory cells 21A, 21B, 21
The information stored in C and 21D is collectively read.
【0043】あるいは、ワードライン毎に分割して読み
出してもよい。つまり、ソースラインSに対して2Vを
印加し、全てのビットラインBL1,BL2および基板
ラインSUBに対して0Vを印加しておくとともに、ワ
ードラインWL1に対してセンス電圧5Vを印加すれ
ば、ワードラインWL1に沿って配列しているメモリセ
ル21A,21Bに記憶されている情報が読み出され
る。Alternatively, the reading may be performed by dividing each word line. That is, by applying a 2V to the source line S, along with previously applied to 0V with respect to all the bit lines BL1, BL2 and the substrate line SUB, applying a sense voltage 5V relative word <br/> Dorain WL1 Then, the information stored in the memory cells 21A and 21B arranged along the word line WL1 is read.
【0044】ここで、センス電圧とは、上記しきい値電
圧VTHの2種類の値のV1,V2の中間的な電圧であ
る。したがって、このセンス電圧を印加すると、フロー
ティングゲートにエレクトロンが蓄積されているか否か
で、ソース−ドレイン間の導通/非導通が決定される。
このように、基板−フローティングゲート間でFNトン
ネル電流を発生させ、このFNトンネル電流により情報
の書き換えを行っているので、トンネル酸化膜の劣化を
防止して書換可能回数を増加させることができるととも
に、瞬時に情報の書き換えが可能となる。Here, the sense voltage is an intermediate voltage between V1 and V2, which are two kinds of values of the threshold voltage V TH . Therefore, when this sense voltage is applied, conduction / non-conduction between the source and drain is determined by whether or not electrons are accumulated in the floating gate.
As described above, since the FN tunnel current is generated between the substrate and the floating gate and the information is rewritten by the FN tunnel current, the deterioration of the tunnel oxide film can be prevented and the number of rewritable times can be increased. , The information can be rewritten instantly.
【0045】なお、以下の説明において、メモリトラン
ジスタ20A,20B,20C,20Dを総称するとき
は「メモリトランジスタ20」という。図8は書き込み
時のメモリトランジスタの動作原理を示す図、図9は読
み出し時のメモリトランジスタの動作原理を示す図であ
る。図8および図9を参照しつつ、上記メモリトランジ
スタの動作原理について説明する。
<書き込み>例えば、図5に示すようにメモリセル21
Aに情報を書き込むとする。このとき、図8(a)
(b)(c)に示すように、選択メモリル21A内のメ
モリトランジスタ20A、および非選択メモリセル21
C内のメモリトランジスタ20C、ならびに非選択メモ
リセル21B内のメモリトランジスタ20Bの各フロー
ティングゲート32は、ソース領域30bと所定のオフ
セット間隔をあけて配置されており、各メモリトランジ
スタ20A,20B,20Cのソース領域30bは0V
が印加されているので、フローティングゲート32とソ
ース領域30bとの間のチャネル領域は常にオフセット
領域OSとなる。In the following description, the memory transistors 20A, 20B, 20C and 20D are collectively referred to as "memory transistor 20". FIG. 8 is a diagram showing the operating principle of the memory transistor at the time of writing, and FIG. 9 is a diagram showing the operating principle of the memory transistor at the time of reading. The operation principle of the memory transistor will be described with reference to FIGS. 8 and 9. <Write> For example, as shown in FIG.
Suppose information is written to A. At this time, FIG. 8 (a)
As shown in (b) and (c), the memory transistor 20A in the selected memrist 21A and the unselected memory cell 21
Each floating gate 32 of the memory transistor 20C in C and the memory transistor 20B in the non-selected memory cell 21B is arranged with a predetermined offset distance from the source region 30b, and each floating gate 32 of each memory transistor 20A, 20B, 20C is Source region 30b is 0V
Is applied, the channel region between the floating gate 32 and the source region 30b is always the offset region OS.
【0046】このとき、選択メモリセル21Aにあって
は、図8(a)に示すように、メモリトランジスタ20
Aのコントロールゲート34には10Vが印加され、基
板30には0Vが印加され、ドレイン領域30cには0
Vが印加されているので、基板30−ゲート34間にF
Nトンネル電流が生じ、このFNトンネル電流によりエ
レクトロンがトンネル酸化膜31をトンネルしてフロー
ティングゲート32に注入される。At this time, in the selected memory cell 21A, as shown in FIG.
10V is applied to the control gate 34 of A, 0V is applied to the substrate 30, and 0 is applied to the drain region 30c.
Since V is applied, F is applied between the substrate 30 and the gate 34.
An N tunnel current is generated, and the FN tunnel current causes electrons to tunnel through the tunnel oxide film 31 and be injected into the floating gate 32.
【0047】また、選択メモリセル21Aとビットライ
ンBL1を共有している非選択メモリセル21Cにあっ
ては、図8(b)に示すように、メモリトランジスタ2
0Cのコントロールゲート34、ドレイン領域30cお
よび基板30には0Vが印加されているので、メモリト
ランジスタ20Cは動作しない。よって、非選択メモリ
セル21Cにはドレインディスターブが発生しない。す
なわち、メモリセル21Cに情報が書き込まれている場
合、そのメモリトランジスタ20Cのフローティングゲ
ート32に蓄積されているエレクトロンがドレイン領域
30cに引き抜かれることがなく、書き込まれている情
報が破壊されない。Further, in the non-selected memory cell 21C sharing the bit line BL1 with the selected memory cell 21A, as shown in FIG.
Since 0V is applied to the 0C control gate 34, the drain region 30c, and the substrate 30, the memory transistor 20C does not operate. Therefore, the drain disturb does not occur in the non-selected memory cell 21C. That is, when the information is written in the memory cell 21C, the electrons accumulated in the floating gate 32 of the memory transistor 20C are not extracted to the drain region 30c, and the written information is not destroyed.
【0048】さらに、選択メモリセル21Aとワードラ
インWL1を共有している非選択メモリセル21Bにあ
っては、図8(c)に示すように、そのメモリトランジ
スタ20Bのコントロールゲート34には10Vが印加
され、基板30には0Vが印加されているので、基板3
0−ゲート34間に電位差が生じるものの、ドレイン領
域30cには7Vが印加されているので、ドレイン領域
30cのPN接合部の空乏層(depletion layer) 50が
オフセット領域OSの境界まで拡がり、この空乏層50
がFNトンネル電流を遮断する。そのため、FNトンネ
ル電流によりエレクトロンがフローティングゲート32
に注入されないから、ゲートディスターブは発生しな
い。
<読み出し>情報の読み出し時には、図9(a)(b)
に示すように、選択メモリセル内のメモリトランジスタ
20のドレイン領域30cおよび基板30には0Vが印
加されており、ソース領域30bには2Vが印加され、
コントロールゲート34にはセンス電圧5Vが印加され
ているので、オフセット領域OSの基板30の表面が反
転(inversion) し、反転層52が生じる。Further, in the non-selected memory cell 21B sharing the word line WL1 with the selected memory cell 21A, 10V is applied to the control gate 34 of the memory transistor 20B as shown in FIG. 8C. Since 0 V is applied to the substrate 30, the substrate 3
Although a potential difference is generated between the 0-gate 34, since 7 V is applied to the drain region 30c, the depletion layer 50 at the PN junction of the drain region 30c spreads to the boundary of the offset region OS, and this depletion occurs. Layer 50
Shuts off the FN tunnel current. Therefore, electrons are generated in the floating gate 32 by the FN tunnel current.
Since it is not injected into the gate, no gate disturb occurs. <Read> At the time of reading information, the information shown in FIGS.
0V is applied to the drain region 30c and the substrate 30 of the memory transistor 20 in the selected memory cell, and 2V is applied to the source region 30b.
Since the sense voltage 5V is applied to the control gate 34, the surface of the substrate 30 in the offset region OS is inverted, and the inversion layer 52 is generated.
【0049】このとき、図9(a)に示すように、フロ
ーティングゲート32にエレクトロンが蓄積されている
情報の書込状態にあれば、コントロールゲート34の正
電荷の影響がフローティングゲート32に蓄積されてい
るエレクトロンによりブロックされ、フローティングゲ
ート32直下の基板30の表面に及ばない。そのため、
ソース領域30b−ドレイン領域30c間が導通せず、
チャネルが形成されない。つまり、メモリトランジスタ
20に電流が流れない。At this time, as shown in FIG. 9A, if the electrons are accumulated in the floating gate 32 and the information is in a written state, the influence of the positive charge of the control gate 34 is accumulated in the floating gate 32. The electrons are blocked by the generated electrons and do not reach the surface of the substrate 30 directly below the floating gate 32. for that reason,
There is no conduction between the source region 30b and the drain region 30c,
No channel is formed. That is, no current flows through the memory transistor 20.
【0050】一方、図9(b)に示すように、フローテ
ィングゲート32にエレクトロンが蓄積されていない情
報の消去状態にあれば、コントロールゲート34の正電
荷の影響がフローティングゲート32直下の基板30の
表面に及ぶ。そうすると、基板30のホール濃度と等し
い濃度のエレクトロンが基板30の表面に誘起され、反
転を生じる。この反転によって誘起されたエレクトロン
が、オフセット領域OSの反転層52と接続する。その
結果、ソース領域30b−ドレイン領域30c間が導通
し、チャネルCHが形成される。つまり、メモリトラン
ジスタ20に電流が流れる。On the other hand, as shown in FIG. 9B, if the floating gate 32 is in the erased state of information in which electrons are not accumulated, the positive charge of the control gate 34 influences the substrate 30 immediately below the floating gate 32. Spans the surface. Then, electrons having a concentration equal to the hole concentration of the substrate 30 are induced on the surface of the substrate 30 to cause inversion. The electrons induced by this inversion connect with the inversion layer 52 in the offset region OS. As a result, conduction is established between the source region 30b and the drain region 30c, and the channel CH is formed. That is, a current flows through the memory transistor 20.
【0051】このように、オフセット領域の反転を利用
して情報の読み出しが行われるから、読出速度はフラッ
シュメモリと同等に速くなる。本実施例によると、基板
−フローティングゲート間にFNトンネル電流を発生さ
せて情報を書き込むにあたり、選択メモリセルとビット
ラインを共有している非選択メモリセル内のメモリトラ
ンジスタが動作することはない。また、選択メモリセル
とワードラインを共有している非選択メモリセル内にお
いては、そのメモリトランジスタの基板−コントロール
ゲート間に電位差が生じるものの、ドレイン領域のPN
接合部の空乏層がオフセット領域の境界まで拡がってF
Nトンネル電流を遮断するため、エレクトロンがフロー
ティングゲートに注入されることはない。よって、書き
込み時における非選択メモリセルの書込ディスターブを
防止できる。Since the information is read by utilizing the inversion of the offset area as described above, the read speed is as high as that of the flash memory. According to this embodiment, the substrate - between the floating gate by generating an FN tunnel current Upon writing information, not the memory transistors in the unselected memory cells sharing the selected memory cell and the bit line operate. In the non-selected memory cell that shares the word line with the selected memory cell, a potential difference occurs between the substrate and the control gate of the memory transistor, but the drain region PN
The depletion layer at the junction extends to the boundary of the offset region and F
Electrons are not injected into the floating gate because it blocks the N tunneling current. Therefore, the write disturb of the non-selected memory cell at the time of writing can be prevented.
【0052】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の範囲内で多くの修正および変更を
加え得ることは勿論である。例えば、上記実施例におい
ては、P型シリコン基板を使用した例について記載した
が、N型シリコン基板を使用してメモリトランジスタを
Pチャネル型としてもよい。The present invention is not limited to the above embodiments, and it goes without saying that many modifications and changes can be made within the scope of the present invention. For example, in the above embodiment, an example using a P-type silicon substrate is described, but an N-type silicon substrate is used to form a memory transistor.
It may be a P- channel type.
【0053】[0053]
【発明の効果】以上の説明から明らかな通り、本発明に
よると、書換可能回数を増加できるとともに、瞬時に情
報の書き換えが行え、しかも情報の書き込み時における
書込ディスターブを防止できる。As is apparent from the above description, according to the present invention, the number of rewritable times can be increased, information can be rewritten instantaneously, and write disturb at the time of writing information can be prevented.
【図1】本発明の一実施例に係る不揮発性記憶素子の構
成を示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a nonvolatile memory element according to an example of the present invention.
【図2】不揮発性記憶素子の製造方法を工程順に示す概
略断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a method of manufacturing a nonvolatile memory element in the order of steps.
【図3】図2のつづきの製造方法を工程順に示す概略断
面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the manufacturing method following the process of FIG. 2 in the order of steps.
【図4】不揮発性記憶装置の電気的構成を示す等価回路
図である。FIG. 4 is an equivalent circuit diagram showing an electrical configuration of the nonvolatile memory device.
【図5】書き込み時の不揮発性記憶装置の等価回路図で
ある。FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of the nonvolatile memory device at the time of writing.
【図6】消去時の不揮発性記憶装置の等価回路図であ
る。FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of the nonvolatile memory device at the time of erasing.
【図7】読み出し時の不揮発性記憶装置の等価回路図で
ある。FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of the nonvolatile memory device at the time of reading.
【図8】書き込み時の不揮発性記憶素子の動作原理を示
す図である。FIG. 8 is a diagram showing an operation principle of a nonvolatile memory element at the time of writing.
【図9】読み出し時の不揮発性記憶素子の動作原理を示
す図である。FIG. 9 is a diagram showing an operating principle of a nonvolatile memory element at the time of reading.
【図10】従来の不揮発性記憶装置の電気的構成を示す
等価回路図である。FIG. 10 is an equivalent circuit diagram showing an electrical configuration of a conventional nonvolatile memory device.
【図11】従来の不揮発性記憶素子の構成を示す概略断
面図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a conventional nonvolatile memory element.
【図12】書き込み時のドレインディスターブを示す図
である。FIG. 12 is a diagram showing a drain disturb at the time of writing.
【図13】書き込み時のゲートディスターブを示す図で
ある。FIG. 13 is a diagram showing a gate disturb at the time of writing.
20,20A,20B,20C,20D 不揮発性記憶
素子(メモリトランシスタ)
21A,21B,21C,21D メモリセル
30a チャネル領域
30b ソース領域
30c ドレイン領域
30 シリコン基板
31 トンネル酸化膜
32,FG フローティングゲート
33 ONO膜(キャパシタ絶縁膜)
34 コントロールゲート
40,SE ソース電極
D オフセット間隔
WL1,WL2 ワードライン
BL1,BL2 ビットライン
S ソースライン
SUB 基板ライン
LD ロウデコーダ
CD コラムデコーダ
SA センスアンプ
SC ソースコントロール回路
SUBC 基板コントロール回路20, 20A, 20B, 20C, 20D Nonvolatile storage element (memory transistor) 21A, 21B, 21C, 21D Memory cell 30a Channel region 30b Source region 30c Drain region 30 Silicon substrate 31 Tunnel oxide film 32, FG Floating gate 33 ONO Film (capacitor insulating film) 34 Control gate 40, SE Source electrode D Offset interval WL1, WL2 Word line BL1, BL2 Bit line S Source line SUB Substrate line LD Row decoder CD Column decoder SA Sense amplifier SC Source control circuit SUBC Substrate control circuit
フロントページの続き (72)発明者 小澤 孝典 京都市右京区西院溝崎町21 ローム株式 会社内 (56)参考文献 特開 平6−314795(JP,A) 特開 平4−91471(JP,A) 特開 平3−112166(JP,A) 特開 平4−229655(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/788 H01L 29/792 H01L 27/115 H01L 21/8247 Front page continued (72) Inventor Takanori Ozawa 21 ROHM Co., Ltd., Mizozaki-cho, Saiin, Ukyo-ku, Kyoto (56) References JP-A-6-314795 (JP, A) JP-A-4-91471 (JP, A) Special Kaihei 3-112166 (JP, A) JP-A-4-229655 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 29/788 H01L 29/792 H01L 27/115 H01L 21/8247
Claims (3)
により情報の記憶を行うものであって、 予め定める導電型式をした半導体基板と、 上記半導体基板の表面層に所定の間隔をあけて形成され
たソース領域およびドレイン領域と、 上記ソース領域およびドレイン領域で挟まれるように生
じるチャネル領域上に、ソース領域と所定のオフセット
間隔をあけて形成され、チャネル領域で発生した電荷を
トンネルさせ得るトンネル絶縁膜と、 上記トンネル絶縁膜上に形成され、トンネル絶縁膜をト
ンネルしてきた電荷を蓄積するフローティングゲート
と、 上記フローティングゲート上に形成され、フローティン
グゲートに電荷を閉じ込めるキャパシタ絶縁膜と、 上記キャパシタ絶縁膜上に形成され、所定の制御電圧が
印加されるコントロールゲートと、 上記ソース領域に接触しているとともに、情報の読み出
し時に読出電圧が印加されたときに、上記ソース領域と
上記トンネル絶縁膜との間のチャネル領域であるオフセ
ット領域を反転させ得るように、フローティングゲー
ト、キャパシタ絶縁膜およびコントロールゲートに対し
て絶縁状態で、上記オフセット領域上に絶縁膜を介して
延設されているソース電極とを含むことを特徴とする不
揮発性記憶素子。1. A or injecting charge, there is performed the storage of information by taking out, opened and the semiconductor substrate, a predetermined distance in the surface layer of the semiconductor substrate with a predetermined Ru conductivity type The source region and the drain region formed by the above and the channel region formed so as to be sandwiched between the source region and the drain region are formed with a predetermined offset distance from the source region to tunnel the charges generated in the channel region. A tunnel insulating film to be obtained, a floating gate formed on the tunnel insulating film for accumulating charges tunneled through the tunnel insulating film, a capacitor insulating film formed on the floating gate for confining charges in the floating gate, Control that is formed on the capacitor insulating film and that is applied with a predetermined control voltage And over bets, along with in contact with the source region, read out information
When a read voltage is applied at
The offset, which is the channel region between the tunnel insulating film and
A floating gate, a capacitor insulating film, and a source electrode that are insulated from the control gate and extend over the offset region through the insulating film so that the gate region can be inverted. A non-volatile memory element characterized by the above.
体基板上に、行方向および列方向に沿ってマトリクス状
に配列形成され、 行方向に沿って配列されている不揮発性記憶素子のコン
トロールゲートには、ワードラインが接続され、 列方向に沿って配列されている不揮発性記憶素子のドレ
イン領域には、ビットラインが接続され、 各不揮発性記憶素子のソース電極には、ソースラインが
共通接続され、 半導体基板には、共通の基板ラインが設けられているこ
とを特徴とする不揮発性記憶装置。2. A nonvolatile memory element according to claim 1, wherein the nonvolatile memory element is formed in a matrix on a semiconductor substrate along a row direction and a column direction, and is arranged along the row direction. A word line is connected to the control gate, a bit line is connected to the drain region of the nonvolatile memory elements arranged along the column direction, and a source line is connected to the source electrode of each nonvolatile memory element. A non-volatile memory device, which is commonly connected and has a common substrate line provided on the semiconductor substrates.
せるための方法であって、 情報の書き込み時に、ソースラインおよび基板ラインを
接地電位としておき、書き込みを行う不揮発性記憶素子
が接続されているワードラインに対して、接地電位の半
導体基板とフローティングゲートとの間でFNトンネル
電流を生じさせ得る高電圧を印加するとともに、それ以
外のワードラインを接地電位とし、書き込みを行う不揮
発性記憶素子を選択するため、当該不揮発性記憶素子が
接続されているビットラインに対して書込電圧を印加す
るとともにそれ以外のビットラインに対しては書込禁止
電圧を印加することにより、選択された不揮発性記憶素
子の基板−フローティングゲート間でFNトンネル電流
を発生させ、このFNトンネル電流によりフローティン
グゲートに電荷を注入し、 情報の消去時に、全てのビットラインおよびソースライ
ンを開放状態としておき、情報の消去を行う不揮発性記
憶素子が接続されているワードラインを接地電位とし、
基板ラインに対して半導体基板とフローティングゲート
との間でFNトンネル電流を生じさせ得る高電圧を印加
して、選択された不揮発性記憶素子の基板−フローティ
ングゲート間で書き込み時とは逆向きのFNトンネル電
流を発生させ、このFNトンネル電流によりフローティ
ングゲートに蓄積されている電荷を基板側に逃がし、 情報の読み出し時に、基板ラインを接地電位とし、ソー
スラインに対してオフセット領域の基板表面が反転し得
る読出電圧を印加しておき、読み出しを行う不揮発性記
憶素子が接続されているワードラインに対してセンス電
圧を印加し、読み出しを行う不揮発性記憶素子を選択す
るため、当該不揮発性記憶素子が接続されているビット
ラインを接地電位とすることを特徴とする不揮発性記憶
装置の駆動方法。3. A method for driving a non-volatile memory device according to claim 2, wherein a source line and a substrate line are set to a ground potential when writing information, and a non-volatile memory element for writing is connected. Half of the ground potential for the word line
FN tunnel between conductor substrate and floating gate
It applies a high voltage can cause a current, it than
In order to select the non-volatile memory element for writing with the external word line at the ground potential , the write voltage is applied to the bit line connected to the non-volatile memory element and to the other bit lines. Write-protected
By applying a voltage, an FN tunnel current is generated between the substrate and the floating gate of the selected nonvolatile memory element, and the FN tunnel current injects charges into the floating gate. and leave the source line and open state, the word line non-volatile memory device for erasing the information is connected to the ground potential,
Semiconductor substrate and floating gate for substrate line
A high voltage that can generate an FN tunnel current is applied between
To the substrate of the selected nonvolatile memory element - Floating
It generates an FN tunnel current in the direction opposite to that in the writing between ring gate, the charge accumulated in the floating gate escape to the substrate side, when reading information, the board line and the ground potential by the FN tunnel current, source A non-volatile memory that performs a read by applying a read voltage that can invert the substrate surface in the offset region to the line and a sense voltage to the word line to which the non-volatile memory element that performs the read is connected A method for driving a non-volatile memory device, comprising setting a bit line connected to the non-volatile memory element to a ground potential to select the element.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10451393A JP3426641B2 (en) | 1993-04-30 | 1993-04-30 | Nonvolatile storage element, nonvolatile storage device using the same, and method of driving this storage device |
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JP10451393A JP3426641B2 (en) | 1993-04-30 | 1993-04-30 | Nonvolatile storage element, nonvolatile storage device using the same, and method of driving this storage device |
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JPH06314796A JPH06314796A (en) | 1994-11-08 |
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